白云巖儲層酸壓過程中酸液的濾失控制

摘 要

摘要：白云巖儲集層酸壓改造中的酸液濾失是影響施5-效果的關(guān)鍵，常規(guī)室內(nèi)測試結(jié)果不能反映入地酸液流體的真實濾失行為。從酸液濾失模式分析入手，結(jié)合酸與白云巖石反應(yīng)動力學(xué)特征
摘要：白云巖儲集層酸壓改造中的酸液濾失是影響施5-效果的關(guān)鍵，常規(guī)室內(nèi)測試結(jié)果不能反映入地酸液流體的真實濾失行為。從酸液濾失模式分析入手，結(jié)合酸與白云巖石反應(yīng)動力學(xué)特征，探討了白云巖儲層的點蝕密集型、溶蝕孔洞型、溶蝕穿透型酸液濾失行為，認為儲集層天然裂縫、白云巖自身物性特征、H+傳質(zhì)系數(shù)和反應(yīng)速度的影響是主要控制酸液濾失的內(nèi)在因素，并以此為依據(jù)提出了現(xiàn)場酸壓控制酸液濾失的對策：對于天然裂縫較發(fā)育的白云巖儲集層，實際酸液濾失程度不及石灰?guī)r，但總體上建議采用黏滯性前置液誘發(fā)裂縫(必要時可考慮追加少量粉陶)，盡可能地采用低H+傳質(zhì)系數(shù)和低反應(yīng)速率的高黏酸液體系，交替注酸和附加前置液段塞也能很好地控制地層中酸液的濾失。
關(guān)鍵詞：白云巖；酸化壓裂；濾失；控制；裂縫(巖石)；影響；對策
    酸化壓裂是白云巖儲層增產(chǎn)改造的一種有效措施[1～3]，已在現(xiàn)場得到了廣泛的應(yīng)用。然而，實際酸壓過程中酸液會發(fā)生不同程度的濾失而影響改造效果，因此，正確認識白云巖儲層酸壓過程中的酸液濾失行為對于指導(dǎo)酸壓施工至關(guān)重要。
1 酸壓改造中酸液濾失模式
    傳統(tǒng)理論中的酸壓濾失處理是以酸液在裂縫壁面形成濾餅時，濾餅區(qū)、侵入?yún)^(qū)和儲層流體的壓縮性、濾液黏度以及壓裂液的造壁性作為控制條件的，其中以Schechter經(jīng)典模型[4]為代表。然而，這樣處理并不能反映酸液真實的濾失情形[5]。從酸壓措施實施一開始，酸液便不停地穿過濾餅區(qū)，無論何時活性酸進入原生孔隙或者裂縫，都會與巖石直接作用而產(chǎn)生一定數(shù)量的蚓孔[6]，導(dǎo)致大量的酸液濾失。
    從酸壓施工曲線上看，原本施工壓力在整個施工期間都應(yīng)大于或等于破裂壓力，而實際上，壓力曲線將由于酸蝕蚓孔的出現(xiàn)而產(chǎn)生大幅度降落，出現(xiàn)壓力曲線異常段，據(jù)此可以分析得到酸液的濾失量和濾失時間。
    由于蚓孔地層的濾失，降低了酸液實際有效作用距離，增加的注液量僅對近井帶的儲層改造，最終導(dǎo)致增產(chǎn)效果不理想。因此，實際酸壓過程中酸液的濾失主要包括裂縫壁面向基質(zhì)的濾失和酸蝕蚓孔濾失兩部分[6]，并且細分為4個區(qū)域(圖1)。其中，酸液濾失主要受到蚓孔區(qū)(Ⅱ)內(nèi)蚓孔擴展速度及侵入?yún)^(qū)(Ⅲ)內(nèi)與流動剪切及裂縫溫度有關(guān)的酸液黏度所控制。另外，地層一旦形成蚓孔，酸液濾失則主要在蚓孔內(nèi)發(fā)生，濾失量由蚓孔擴展體積和酸液向酸蝕螞孔壁面濾失量共同決定。
 
2 酸液濾失行為及影響因素
2.1 酸液體系濾失行為
    酸壓注液過程中，酸液體系的濾失行為以酸-巖反應(yīng)后在裂縫壁面上形成的溶蝕孔洞形態(tài)加以表征，可分為以下3種類型。
2.1.1點蝕密集型
    高效酸、乳化酸、泡沫酸等酸液體系濾失形成的溶蝕孔洞通常屬于“點蝕密集型”，即酸液的控濾失效果較好，其濾失行為表征為在裂縫壁面上形成較為密集、深度較淺的網(wǎng)狀點蝕。
2.1.2溶蝕孔洞型
    前置液酸壓和稠化酸酸壓過程中形成的溶孔屬于“溶蝕孔洞型”，即酸液濾失會在裂縫壁面上主要形成具有一定深度的溶蝕孔洞。
    研究表明，高黏前置液在裂縫壁面沉積形成的濾餅可以減少酸液的初濾失，繼續(xù)注酸，前置液形成的濾餅在較短時間內(nèi)將被酸液穿透，并隨之形成溶蝕孔洞，此時幾乎所有的濾失將在溶孔內(nèi)發(fā)生。
2.1.3溶蝕穿透型
    普通酸、化學(xué)緩速酸等屬于不能實現(xiàn)濾失控制的液體，一旦酸液在裂縫壁面產(chǎn)生溶蝕孔洞，則會很快穿透整個裂縫壁面，使酸液在孔洞內(nèi)不再是濾失，而是流過，形成“溶蝕穿透型”孔洞。
2.2 酸液濾失的影響因素分析
    目前，關(guān)于影響酸液濾失的因素分析大都基于室內(nèi)實驗，采用單因素法分別考察巖心長度、酸濃度、溫度、差壓和流量等對濾失的影響[7～8]，而沒有考慮儲層、巖性、工作液反應(yīng)動力學(xué)行為等內(nèi)在條件。室內(nèi)結(jié)果僅僅是在特定尺寸的巖心及實驗條件下對酸液濾失所作出的定量描述，但不能以此判定實際酸壓及酸化中會發(fā)生蚓孔的大量濾失。
    實際上，在高溫、深層微裂縫較為發(fā)育的白云儲層酸壓中并不會發(fā)生嚴重的濾失。由于地層高溫下超過95℃)，酸-巖反應(yīng)主要受H+傳質(zhì)速率控制，大多高效酸具有較低的H+傳質(zhì)系數(shù)和較高的黏度，即使在地層溫度下破膠與巖石發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)強度也不會太大；同時，高黏混合物(包括酸巖反應(yīng)生成物)對已形成的溶蝕孔洞有一定封堵作用，阻礙了酸液在溶蝕孔中的濾失指進。經(jīng)研究，白云巖儲層酸液濾失行為主要受到以下3種內(nèi)在因素控制。
2.2.1儲集層天然裂縫的影響
    一般情況下，天然溶蝕孔洞及裂縫是白云巖儲層油氣資源的主要儲滲空間，對于天然裂縫較為發(fā)育的地層，其天然裂縫縫寬也會影響到酸液的作用效果及濾失。Chengli Dong和D.Zhu等人[9]給出了這一天然縫寬與酸液作用效果的關(guān)系：天然縫寬小于2×10-3cm，沿裂縫入口到裂縫出口形成酸蝕蚓孔，3×10-3～8×10-3cm，裂縫將變得比原先更寬一些，且裂縫人口比裂縫尾部寬；大于1×10-3cm，酸在裂縫中的作用將與酸壓中酸與裂縫壁面反應(yīng)相似。
    另外，地層裂縫壁面越粗糙，則越容易形成蚓孔；濾失對沿裂縫壁面的刻蝕形態(tài)影響不大，但會沿裂縫壁面形成垂直蚓孔。酸壓過程中，由于酸蝕壓開縫寬的限制，沿裂縫壁面的垂直蚓孔濾失效應(yīng)并不十分明顯，天然裂縫越發(fā)育，縫寬越寬，越不容易發(fā)生蚓孔濾失。
2.2.2白云巖自身物性特征的影響
    從白云巖自身物性來看，據(jù)劉再華、W.Dreybrodt等學(xué)者口叩的研究表明，以H+作為碳酸鹽巖溶解的侵蝕劑，在條件相似的情況下，白云巖的初始溶解速率不僅只有石灰?guī)r的1/3～1/60，而且還呈現(xiàn)出不同的溶解速率控制機理，即受到生成CO2的分壓區(qū)范圍的影響而不同；其次，白云巖溶解主要受到比石灰?guī)r更為復(fù)雜的表面反應(yīng)所控制，而以均勻溶蝕為主。這樣，某種程度上說明在相同酸壓施工條件下，相同酸液體系對白云巖溶蝕所形成的均勻點蝕孔洞遠不及石灰?guī)r被酸液溶蝕后的分支蚓孔所引起的濾失。
2.2.3 H+傳質(zhì)系數(shù)和反應(yīng)速度的影響
    針對普通酸、稠化酸、交聯(lián)酸三種酸液體系分別進行了反應(yīng)動力學(xué)行為測試、酸液濾失性測試及60℃恒溫水浴靜態(tài)酸-巖反應(yīng)測試，結(jié)果表明(見表1及圖2、3)：氫離子傳質(zhì)系數(shù)越低，反應(yīng)速率越慢，則酸液控濾失效果越好(濾失量越少)，酸-巖反應(yīng)后的殘酸濃度就越高。文中交聯(lián)酸酸液體系顯示了良好的控濾失性能。
表1 不同酸液體系反應(yīng)速度常數(shù)與擴散系數(shù)值對比表
酸液(20%)
60℃下反應(yīng)速度常數(shù)(mol/cm3)(1-m)×(cm/s)
60℃氫離子有效傳質(zhì)系數(shù)(cm2/s)
80℃氫離子有效傳質(zhì)系數(shù)(cm2/s)
普通酸
8.1937×10-6
7.9682×10-6
1.2408×10-5
稠化酸
2.0753×10-6
7.0636×10-6
1.3720×10-5
交聯(lián)酸
1.3744×10-6
3.6822×10-6
7.1096×10-5
3 儲層酸壓改造中酸液濾失控制對策
    1) 對于天然溶蝕孔洞及微裂縫較為發(fā)育的白云巖儲層，蚓孔濾失效應(yīng)雖不明顯，但裂縫壁面垂直蚓孔的隨機性卻容易影響壓開縫內(nèi)的均勻布酸。此時要求酸液流速不能過低，若流速過低，溶蝕形式緊密，近井地帶易失去膠結(jié)而發(fā)生地層巖石的扭曲變形，不利于后續(xù)酸液指進?？煽紤]高黏前置酸液壓開地層后，追加少量粉陶，再均勻提高地面酸液泵速。這樣，天然較大孔縫得到有效屏障，而加大排量可以限制貼近井筒裂縫地層的孔道大小并在裂縫端部實現(xiàn)比較均勻的酸蝕。
    2) 從白云巖物性來看，其在H+侵蝕介質(zhì)中的溶解率較低，不及石灰?guī)r。當(dāng)壓開裂縫壁面溫度小于50℃時，酸巖反應(yīng)主要受表面反應(yīng)控制；當(dāng)壁面溫度大于95℃時，主要受傳質(zhì)控制；在這兩個溫度之間，同時受傳質(zhì)速度和表面反應(yīng)速度控制。實際酸壓中，可考慮先充分降低壓開裂縫溫度后，再注入活性酸，將酸巖反應(yīng)控制在表面反應(yīng)動力學(xué)范圍，這樣白云巖以均勻點狀溶蝕為主，不易產(chǎn)生蚓孔濾失。此類工藝包括多級前置液段塞.閉合酸壓等措施。
    3) 酸壓中，由于后續(xù)酸液的不斷突破和地層條件下液體體系的破膠，很難形成有效濾餅；加上白云巖儲層蚓孔濾失效應(yīng)不明顯，酸壓中的濾失則多發(fā)生在侵入帶，且主要受酸液黏度控制。為控制酸液濾失，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用低H+傳質(zhì)系數(shù)和低反應(yīng)速率的高黏酸液體系，同時整個酸液體系應(yīng)具有良好的“變黏”、“控溫”及“緩速”性能。
4 結(jié)論
    1) 白云巖儲層酸壓過程中的酸液濾失模式受到裂縫壁面向基質(zhì)的濾失及酸蝕蚓孔濾失兩方面控制，避免及減少蚓孔發(fā)生幾率是增強酸液深穿透、提高裂縫導(dǎo)流能力、確保施工效果的關(guān)鍵。
    2) 酸液在裂縫壁面產(chǎn)生的溶蝕孔洞形態(tài)可表征為“點蝕密集型”、“溶蝕孔洞型”、“溶蝕穿透型”3種類型；其行為主要受到儲集層天然裂縫發(fā)育程度、白云巖自身物性條件、酸液H+傳質(zhì)系數(shù)和反應(yīng)速度等內(nèi)在因素控制。
    3) 現(xiàn)場酸壓施工時可以根據(jù)這些控制酸液濾失的內(nèi)在因素對工作液體系性能和工藝措施加以優(yōu)化。注酸前使用黏滯性前置液誘發(fā)裂縫(必要時可考慮追加少量粉陶)，盡可能地采用低H+傳質(zhì)系數(shù)和低反應(yīng)速率的高黏酸液體系，交替注酸和附加前置液段塞都能很好地控制地層中酸液的濾失。
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(本文作者：王海濤1 李相方1 伊向藝2 盧淵2 1.中國石油大學(xué)石油工程教育部重點實驗室；2.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室 成都理工大學(xué))